CN101672698A - 基于光纤器件的超短脉冲宽度自相关测量仪 - Google Patents

Abstract

一种基于光纤器件的超短脉冲宽度自相关测量仪，其构成包括1:1光纤耦合器、第一光纤准直、第一高反镜、第一光纤偏振控制器、第二光纤准直器、第二高反镜，微动平台、第二光纤偏振控制器、第三光纤准直器、KTP倍频晶体、大芯径光纤、光谱仪和计算机，本发明具有结构紧凑，调节简单，使用方便的特点。

Description

基于光纤器件的超短脉冲宽度自相关测量仪

技术领域

本发明涉及超短脉冲，特别是一种基于光纤器件的超短脉冲宽度自相关测量仪。

背景技术

随着激光技术的不断发展，超短脉冲在光通信，精密测量，空间技术、各种工业应用和国防应用等各个领域得到了广泛应用。在许多高技术领域，超短脉冲和超高强度的激光显示出独特的优点，具有不可取代的应用前景。采用半导体激光器泵浦超短脉冲的光纤激光器相对常规的固体激光系统在散热、稳定性、光束质量、转化效率和体积等方面有独特的优势，因此光纤超短脉冲技术已经成为激光应用领域重要的研究课题。脉冲宽度是光纤超短脉冲激光器的一个重要技术指标，因此脉冲宽度测量成为超短脉冲光纤激光技术中重要的研究领域。现在常用的脉冲宽度测量方法包括自相关方法，双光子吸收方法，频率分辨光学开关法，自参考光谱相位相干电场重构法等。虽然频率分辨光学开关法，自参考光谱相位相干电场重构法能给出脉冲的强度和相位，但需要较为复杂的光学系统和经过繁琐的数据处理后才能给出脉冲的信息。

一般情况下我们首先了解光纤激光器的超短脉冲宽度，然而自相关法可以实时给出脉冲的宽度。同时自相关方法相对结构紧凑，调节方便，因此在一些超短脉冲测量中被广泛采用。自相关方法包括强度自相关和干涉自相关。强度自相关通过记录脉冲自相关强度来测量脉冲宽度，而忽略了脉冲相位的变化。干涉自相关可记录脉冲自相关过程中每个光学周期，在记录自相关强度变化的同时也记录了脉冲的相位信息，同时反映了脉冲宽度和脉冲啁啾的变化。采用体光学元件的自相关仪，技术上已十分成熟，并进入了商品化的阶段，现在市场上已有多种脉冲测量自相关仪，但光学设计和调节机构比较复杂，测试过程技术要求高，周期比较长。并且对于传统体光学的自相关仪与光纤激光器系统不相匹配，在实际应用中给脉冲测量带来不便。为了适应激光工程系统中光纤和光纤器件的应用，特别是光纤激光器的应用，本发明设计研制了一种基于光纤器件超短脉冲测量的自相关仪。

发明内容

本发明的目的在于克服现有体光学自相关仪存在的缺点，为了方便光纤激光器超短脉冲测量，我们提出了一种基于光纤器件的超短脉冲宽度自相关测量仪，该自相关测量仪结构紧凑，调节简单，使用方便。

本发明的技术解决方案如下：

一种基于光纤器件的超短脉冲宽度自相关测量仪，特点在于其构成包括1∶1光纤耦合器、第一光纤准直、第一高反镜、第一光纤偏振控制器、第二光纤准直器、第二高反镜，微动平台、第二光纤偏振控制器、第三光纤准直器、KTP倍频晶体、大芯径光纤、光谱仪和计算机，其位置关系如下：所述的1∶1光纤耦合器的臂a接待测的超短脉冲光纤激光器的输出端，该1∶1光纤耦合器的臂b接所述的第二光纤偏振控制器，沿光路依次经第三光纤准直器、KTP倍频晶体、大芯径光纤、光谱仪，该光谱仪的输出端接所述的计算机的输入端，所述的1∶1光纤耦合器的臂c接所述的第一光纤准直器，该第一光纤准直器输出的激光垂直地入射在所述的第一高反镜上，所述的1∶1光纤耦合器的臂d接所述的第一光纤偏振控制器，该第一光纤偏振控制器的输出端接所述的第二光纤准直器，经第二光纤准直器输出的激光垂直地入射在所述的第二高反镜上，所述的第二高反镜置于所述的微动平台上，该微动平台的控制端接所述的计算机的输出端。

所述的1∶1光纤耦合器是偏振无关光纤耦合器，或是保偏光纤耦合器。

所述的连接的光纤是保偏光纤。

本发明自相关仪，首先由超短脉冲光纤激光器输出的脉冲直接耦合进入1∶1偏振无关光纤耦合器。光纤耦合器相对体光学分束镜来说，本发明直接利用两个角度物理接口(APC)耦合连接，这样可以避免耦合时大量能量损失和测试光路受到外界杂散光的干扰，同时也不需要利用精密机械调节分束镜。对于超短脉冲测量的体光学自相关仪中各个光学器件需要放在防震平台上，并且需要非常稳定和复杂的机械调节结构。

本发明所述的1∶1偏振无关光纤耦合器的耦合输出光纤容易发生扭曲，而使在光纤中传输脉冲的偏振态发生旋转，因此我们在耦合器其中一个输出臂上加上偏振控制器，以此来调整由光纤扭曲而发生的脉冲偏振态旋转问题。调节偏振控制器，可以使两臂上的光脉冲偏振态相互平行，因为倍频晶体对入射脉冲的偏振态有选择性，当入射脉冲的偏振态相互平行时，倍频信号转化效率相同，将有利于下一步脉冲测量的准确性。

本发明在两光纤耦合输出端口分别熔接上光纤准直器，因为这样利用光纤准直器输出到高反镜上，可以避免光束的发散，造成不必要的能量损失。两个光纤准直器端口分别垂直于两个高反镜，两高反镜分别镀上对1550nm波段的高反射膜，反射率接近100％。其中一个高反镜位于微动平台上，通过步进电机控制微动平台的移动速度，因为步进电机每步最小位移量为0.1μm，对应0.67fs的分辨率，因此可以精确测量到脉冲宽度为几百ps至几十fs的干涉条纹。两路光纤准直器到高反镜的来回距离尽量在光纤准直器的准直范围内，这样可以尽量避免光束的发散。

所述KTP倍频晶体大小尺寸3×3×10mm，53°切割。从光纤准直器出来的脉冲垂直进入KTP倍频晶体，因为对于已经切割好的倍频晶体，垂直入射时，KTP倍频晶体的非线性有效系数最大。这样从光纤准直器出射的脉冲可以垂直入射到KTP倍频晶体上，这样调整入射脉冲角度比较方便。

利用大芯径光纤接收倍频信号，然后接入光谱仪，这样可以省去体光学自相关仪中所用到的滤波片和光电探测器，光电倍增管等器件。光谱仪上的信号在计算机上显示，这样在计算机上直接选取倍频信号特定波长。同时通过计算机控制微动平台，通过微动平台的移动，均匀地改变两路光的时延，可以在计算机上显示并记录与激光实际脉冲波形成正比的自相关曲线。自相关测量的脉冲宽度并不是真正的脉冲宽度，需要根据测量脉冲波形的因子计算实际脉冲的宽度：Δt₀＝2Δl/βc，其中2Δl＝2(l₁-l₂)是光程差，l₁为光纤耦合器臂c长度加上光纤准直器3到高反镜4的距离，l₂为光纤耦合器臂d长度加上光纤准直器6到高反镜7的距离，c是光速，β为脉冲波形因子，如高斯波形

，洛仑兹波形β＝2。通过简单换算，可以根据脉冲波形读出脉冲宽度。

随着光纤器件的发展，光纤激光器输出的脉冲可以直接接入一些光纤器件进行脉冲宽度展宽或压缩，进而对输出脉冲的宽度进行控制，利用此自相关仪可以对脉冲宽度的变化进行实时测量。

传统的自相关方法就是让待测激光脉冲通过体光学分束镜，使同一脉冲分为幅度上等同的，时间上有一定延迟的两个脉冲。然后两个脉冲会聚进入倍频晶体，从倍频晶体出来的信号通过滤波片，滤波片主要滤掉除倍频信号以外的杂散光，倍频信号然后进入光电探测器，转化为电信号在示波器显示，光信号比较小时，需要通过光电倍增管放大。用于超短脉冲测量的体光学自相关仪各个器件需要在防震平台上，并且需要非常稳定和复杂的机械调节结构。利用体光学自相关仪测量光纤激光器产生的脉冲宽度时，需要复杂的调节。所以提出利用基于光纤器件的自相关仪测量光纤激光器脉冲宽度。因为这样可以直接利用光纤引入需要测量的脉冲，同时比较方便测量一些光纤器件对脉冲的展宽，光纤器件如窄带滤波光纤光栅，啁啾光纤光栅。所述基于光纤器件的自相关仪也可以避免大量的能量损失，可用于相对比较微弱的脉冲信号测量，调节比较方便。

本发明技术效果：

1、系统中体光学器件相对较少，结构紧凑，不需要精密调试。

2、本发明减少了能量损失，避免了外界杂散光的影响，可用于相对较微弱的脉冲信号测量。

3、容易与光纤脉冲激光器及一些光纤器件直接耦合，方便快捷的进行超短脉冲光纤激光器脉冲宽度实时测量。

4、成本低廉，适合常规超短脉冲光纤激光器的脉冲测量，既可以用于强度自相关测量，也可用于条纹分辨的干涉自相关测量。

附图说明

图1是本发明基于光纤器件的超短脉冲宽度自相关测量仪的结构框图。

图2是激光脉冲干涉自相关脉冲宽度示意图。

图3是激光脉冲强度自相关脉冲宽度示意图。

具体实施方式

首先请参阅图1，图1是本发明基于光纤器件的超短脉冲宽度自相关测量仪的结构框图。由图可见，本发明基于光纤器件的超短脉冲宽度自相关测量仪的一个实施例，包括1∶1偏振无关光纤耦合器2、第一光纤准直器3、第一高反镜4、第一光纤偏振控制器5、第二光纤准直器6、第二高反镜7，微动平台8，第二光纤偏振控制器9，第三光纤准直器10，KTP倍频晶体11，大芯径光纤12，光谱仪13和计算机14，其位置关系如下：待测的超短脉冲光纤激光器1的输出端接所述的1∶1偏振无关光纤耦合器2的臂a2-1，该1∶1偏振无关光纤耦合器2的臂b2-2接所述的第二光纤偏振控制器9，沿光路依次经第三光纤准直器10、KTP倍频晶体11、大芯径光纤12接所述的光谱仪13，该光谱仪13的输出端接所述的计算机14的输入端，所述的1∶1偏振无关光纤耦合器2的臂c2-3接所述的第一光纤准直器3，该第一光纤准直器3输出的激光垂直地入射在所述的第一高反镜4上，所述的1∶1偏振无关光纤耦合器2的臂d2-4接所述的第一光纤偏振控制器5，该第一光纤偏振控制器5的输出端接所述的第二光纤准直器6，经第二光纤准直器6输出的激光垂直地入射在所述的第二高反镜7上，所述的第二高反镜7置于所述的微动平台8上，该微动平台8的控制端接所述的计算机14的输出端。

由光纤脉冲激光器1产生的超短脉冲序列，通过1550nm普通单模光纤耦合进入光纤耦合器臂a2-1，然后通过1∶1偏振无关光纤耦合器2均匀分成两路，1∶1偏振无关光纤耦合器2分束比为1∶1，其中一路是臂c2-3，该臂c2-3与第一光纤准直器3熔接，然后第一光纤准直器3的出射脉冲垂直入射到第一高反镜4，第一高反镜4垂直地固定在调整架上。第一光纤准直器3出射端口到第一高反镜4之间的水平来回间距在光纤准直器的准直距离内，尽量保证全部的脉冲能量反射耦合进入第一光纤准直器3。另一路是臂d2-4，光纤耦合器臂d2-4与第一光纤偏振控制器5的光纤熔接，第一光纤偏振控制器5的光纤出射端口与第二光纤准直器6熔接，然后第二光纤准直器6出射脉冲垂直地入射到第二高反镜7上。

调整两路光偏振态平行，我们可以在臂a2-1上加一调制信号，在臂b的输出端口就可以看到干涉信号，调整臂d2-4上的第一偏振控制器5，使输出信号的幅度达到最大值，这样两干涉臂会合后的信号偏振态基本一致。然而比较好的方法就是使用保偏光纤和保偏耦合器，但是它们的价格远高于单模光纤干涉仪，而且需要一整套保偏光纤设备。

第二高反镜7垂直地固定在微动平台8上。通过微动平台8的移动来控制两束光脉冲的相对时间延迟。两路光脉冲通过各自的高反镜反射回去，最后再次通过耦合器2耦合，从耦合器臂b2-2端口输出。耦合器臂b2-2与第二光纤偏振控制器9熔接，通过调节第二偏振控制器9来控制输出脉冲的偏振态。因为KTP倍频晶体11对入射脉冲光的偏振态有选择性，不同偏振态入射转化效率不同。

然后第二光纤偏振控制器9出射端口与所述的第三光纤准直器10相熔接，第三光纤准直器10垂直地对准所述的KTP倍频晶体11，然后在KTP倍频晶体11另一端口用大芯径光纤12接收从KTP倍频晶体11出射的倍频信号。大芯径光纤12接入光谱仪13，光谱仪13接入计算机14，通过计算机上控制光谱仪软件选定倍频信号中心波长，同时利用计算机控制微动平台移动进行扫描，最后在计算机上就可以实时显示脉冲宽度的测量。

Claims (3)

1、一种基于光纤器件的超短脉冲宽度自相关测量仪，特征在于其构成包括1∶1光纤耦合器(2)、第一光纤准直器(3)、第一高反镜(4)、第一光纤偏振控制器(5)、第二光纤准直器(6)、第二高反镜(7)，微动平台(8)，第二光纤偏振控制器(9)，第三光纤准直器(10)，KTP倍频晶体(11)，大芯径光纤(12)，光谱仪(13)和计算机(14)，其位置关系如下：所述的1∶1光纤耦合器(2)的臂a(2-1)接待测的超短脉冲光源，该1∶1光纤耦合器(2)的臂b(2-2)接所述的第二光纤偏振控制器(9)，沿光路依次经第三光纤准直器(10)、KTP倍频晶体(11)、大芯径光纤(12)接所述的光谱仪(13)，该光谱仪(13)的输出端接所述的计算机(14)的输入端，所述的1∶1光纤耦合器(2)的臂c(2-3)接所述的第一光纤准直器(3)，该第一光纤准直器(3)输出的激光垂直地入射在所述的第一高反镜(4)上，所述的1∶1光纤耦合器(2)的臂d(2-4)接所述的第一光纤偏振控制器(5)，该第一光纤偏振控制器(5)的输出端接所述的第二光纤准直器(6)，经第二光纤准直器(6)输出的激光垂直地入射在所述的第二高反镜(7)上，所述的第二高反镜(7)置于所述的微动平台(8)上，该微动平台(8)的控制端接所述的计算机(14)的输出端。

2、根据权利要求1所述的超短脉冲自相关测量仪，其特征在于所述的1∶1光纤耦合器(2)是偏振无关光纤耦合器，或是保偏光纤耦合器。

3、根据权利要求1所述的超短脉冲自相关测量仪，其特征在于所述的连接的光纤是保偏光纤。

Images